激光原理、技术与应用课件：4_6 激光调Q技术

1、4.6 激光调Q技术,一般脉冲激光器输出的脉冲激光都不是单一的光滑脉冲，而是如图所示的一群宽度只有几微秒量级、间隔是几微秒到几十微秒、强度随机不等的小尖蜂脉冲序列，有时称为尖峰序列。 直观分析，从激光是能量高度集中的一种光源看，尖峰序列的出现好不好。 调Q技术可以产生脉宽为(10-710-9)秒量级、峰值功率高达千兆（G）瓦的巨脉冲 ;锁模技术则可产生出(10-1210-15)秒量级的超短光脉冲，峰值功率达到T瓦量级。,产生弛豫振荡的主要原因：当激光器的工作物质被泵浦，上能级的粒子反转数超过阈值条件时，即产生激光振荡，使腔内光子数密度增加，而发射激光。随着激光的发射，上能级粒子数大量被消耗，导

2、致粒子反转数降低，当低于阀值时，激光振荡就停止。这时，由于光泵的继续抽运，上能级粒子反转数重新积累，,当超过阈值时，又产生第二个脉冲，如此不断重复上述过程，直到泵浦停止才结束。每个尖峰脉冲都是在阈值附近产生的，因此脉冲的峰值功率水平较低。增大泵浦能量也无助于峰值功率的提高，而只会使小尖峰的个数增加。,1、解释：泵浦使激光器达到阈值，产生激光反转粒子数减少至低于阈值激光熄灭,弛豫振荡产生的物理过程，可以用图2来描述。它示出了在弛豫振荡过程中粒子反转数n 和腔内光子数的变化，每个尖峰可以分为四个阶段 (在t1时刻之前，由于泵浦作用，粒子反转数n增长，但尚未到达阈值n阈因而不能形成激光振荡。),图2

3、 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,第一阶段(t1一t2)：激光振荡刚开始时，n n阈， 0；由于光泵作用， n继续增加，与此同时，腔内光子数密度也开始增加，由于的增长而使n减小的速率小于泵浦使n 增加的速率，因此n一直增加到最大值。,图2 腔内光子数和粒子反转数随时间的变化,第二阶段(t2一t3) ： n到达最大值后开始下降，但仍然大于n阈 ，因此 继续增长，而且增长非常迅速，达到最大值。,第四阶段(t4一t5)：光子数减少到一定程度，泵浦又起主要作用，于是n又开始回升，到t5时刻n又达到阈值n阈 ，于是又开始产生第二个尖峰脉冲。因为泵浦的抽运过程的持续时间要比每个尖峰脉冲宽度大得多，于是

4、上述过程周而复始，产生一系列尖峰脉冲。泵浦功率越大,尖峰脉冲形成越快,因而尖峰的时间间隔越小,第三阶段(t3一t4)： n n阈 ，增益小于损耗，光子数密度减少并急剧下降。,2、特点,(2)加大泵浦能量，只是增加尖峰的个数，不能增加峰值功率,(1)峰值功率不高，只在阈值附近,3、原因,激光器的阈值始终保持不变,问题：结合激光原理，怎么改善脉冲性能？怎样增加一个脉冲的能量？怎样提高脉冲峰值功率？,4.6.1 激光谐振腔的品质因数Q,Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标品质因数。 1.Q值定义：,1. 调Q意义 (1)压窄光脉冲宽度 (2)提高脉冲能量,思考：实际上这个简单的任务是否容易做到

5、？,2.品质因子Q与谐振腔的单程总损耗的关系,光强I0在谐振腔传播z距离后会减弱为,上式可以改写为光子数密度的形式,而,体积为V的腔内存储的能量为：,每振荡周期损耗的能量为：,问题：根据定义式，试回答调Q的可能办法？,由Q值定义，容易知道：,3. 调Q基本思路 (1)抑制弛豫振荡,使激光在Dn达到最大时的极短时间内发生 (2) 使腔内损耗按规定的程序变化 4. 调Q基本术语,调Q 调腔内损耗 Q开关执行调Q功能的器件 巨脉冲调Q产生的激光脉冲,调节Q值的途径 一般采取改变腔内损耗的办法来调节腔内的Q值。,什么是规定程序 ？ 泵浦激励期间 (激光产生之前)： 高损耗, (低Q), Dnt 高 反

6、转粒子数积累 在适当时刻(?) ： 低损耗, (高Q), Dnt 低 受激辐射放大形成巨脉冲,在腔内加入阶跃变化的损耗机制 适当时刻 ? 泵浦 Q开关打开 延迟时间：反转粒子数积累最多，但也不能超过该物质的荧光寿命。,Q开关关闭,Q开关打开,一、调的基本原理,通常的激光器谐振腔的损耗是不变的，一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激光器便开始振荡，于是激光上能级的粒子数因受激辐射而减少，致使上能级不能积累很多的反转粒子数，只能被限制在阈值反转数附近。这是普通激光器峰值功率(一般为几十千瓦数量级)。不能提高的原因。,既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器阈值的限制，那么，要使上能级积累大量的

7、粒子，可以设法通过改变（增加）激光器的阈值来实现，就是当激光器开始泵浦初期，设法将激光器的振荡阈值调得很高，抑制激光振荡的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累得很多。,当反转粒子数积累到最大时，突然把阈值调到很低，此时积累在上能级的大量粒子便雪崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极高的巨脉冲激光输出。 改变激光器的阈值是提高激光上能级粒子数积累的有效方法。,Q值与谐振腔的损耗成反比，要改变激光器的阈值，可以通过突变谐振腔的Q值(或损耗a总)来实现。,调Q技术就是通过某种方法使腔的Q值随时间按一定程序变化的技术。或者说使腔的损耗随时间按一定程序变化的技术。,调

8、Q激光脉冲的建立过程，各参量随时间的变化情况，如右图所示。 图(a)表示泵浦速率Wp随时间的变化； 图(b)表示腔的Q值是时间的阶跃函数(蓝虚线)； 图(c)表示粒子反转数n的变化； 图(d)表示腔内光子数随时间的变化。,二、Q开关激光器的特点 1. 通过改变Q值改变阈值，控制激光产生的时间。,在泵浦过程的大部分时间里谐振腔处于低Q值状态，故阈值很高不能起振，从而激光上能级的粒子数不断积累，直至 t0时刻，粒子数反转达到最大值ni，在这一时刻，Q值突然升高(损耗下降)，振荡阈值随之降低，于是激光振荡开始建立。由于此ni nt(阈值粒子反转数)，因此受激辐射增强非常迅速，激光介质存储的能量在极短

9、的时间,内转变为受激辐射场的能量，结果产生了一个峰值功率很高的窄脉冲。,三、调Q方法,慢开关 开关时间 脉冲建立时间 如转镜调Q 快开关 开关时间 脉冲建立时间, 转镜调Q 反射损耗(慢开关) 声光调Q 衍射损耗 电光调Q 反射损耗(快开关) 染料调Q 吸收损耗 主动调Q：由外加驱动源调节腔内损耗 被动调Q：由腔内光强调节损耗,谐振腔的Q值与损耗a总成反比，如果按照一定的规律改变谐振腔的a总值，就可以使Q值发生相应的变化。谐振腔的损耗一般包括有：反射损耗、衍射损耗、吸收损耗等。那么，我们用不同的方法控制不同类型的损耗变化，就可以形成不同的调Q技术。有机械转镜调Q、电光调Q技术，声光调Q技术，染

10、料调Q技术等。,四、调Q技术关键,动态损耗：Q 开关处于关闭状态时，谐振腔应具有最大的损耗，以保证Q 开关打开之前没有激光产生； 插入损耗：Q 开关处于打开状态时，由开关本身引起的损耗应最 小，一般会引入反射及散射损耗； 开关时间，Q 开关应有优异的开、关转换性能，快的开关时间， 将产生窄而且高功率峰值的脉冲；慢的开关时间会使所存储的能量在开关完全打开之间迅速衰竭； 同步性能， Q 开关应能够精确地控制，与外界信号保持同步。,一、工作原理,1、Q开关开启,2、Q开关关闭,实例： 转镜调Q激光器,二、装置,4.6.3 电光调 Q,一、电光晶体调Q原理 1. 电光Q开关原理。 利用晶体的电光效应，

11、在晶体上加一阶跃式电压，调节腔内光子的反射损耗。,图4-27 电光调Q装置示意图,（1）第一阶段：积累阶段,电光调Q激光器如图所示。未加电场前晶体的折射率主轴为z、y、z。沿晶体光轴方向z施加一外电场E ,由于普克尔效应,主轴变为x、y,z。令光束沿z轴方向传播,经偏振器后变为平行于x轴的线偏振光,入射到晶体表面时分解为等幅的x和y方向的偏振光,在晶体中二者具有不同的折射率x和y。经过晶体长度d距离后,二偏振分量产生了相位差,图4-27 电光调Q装置示意图,式中为晶体寻常光折射率;63是晶体的电光系数;V是加在晶体两端的电压，d为晶体在z轴方向的长度。当=/2时,所需电压称作四分之一波电压,记

12、作V/4.图中电光晶体上施以电压V/4时,从偏振器出射的线偏振光经电光晶体后,沿x和y方向的偏振分量产生了/2位相延迟,经全反射镜反射后再次通过电光晶体后又将产生/2延迟,合成后虽仍是线偏振光,但偏振方向垂直于偏振器的偏振方向,因此不能通过偏振器。这种情况下谐振腔的损耗很大,处于低Q值状态,激光器不能振荡,激光上能级不断积累粒子（这一状态相当于光开关处于关闭状态）。,Q开关关闭,（2）第二阶段：脉冲形成阶段Q开关完全打开,在某一特等时刻,突然撤去电光晶体两端的电压,则偏振光的振动方向不再被旋转900，相当于光开关被打开，则谐振腔突变至低损耗、高Q值状态,于是形成巨脉冲激光。（这一状态相当于光开

13、关处于打开状态）。,Q开关开启,电光调Q激光器装置,1.有较高的动态损耗（）和插入损耗（） 2.开关速度快，同步性能好。开关时间可以达到秒 ， 3.典型的Nd:YAG电光调Q激光器的输出光脉冲宽度 约为-20ns，峰值功率达到数兆瓦至数十兆瓦 4.适用于脉冲式泵浦激光器，由于该技术较高的插入损 耗使激光器无法振荡而不适用于连续泵浦激光器,二、电光调Q技术特点,退压式调示意图,损耗高 不能振荡,损耗低 输出巨脉冲,聚光腔,加压式调示意图,激光电源,调模块,输出镜,全反镜,YAG 晶体棒,脉冲氙灯,偏振片,电光晶体,损耗高 不能振荡,损耗低 输出巨脉冲,聚光腔,电光调Q激光器,结 构 示 意 图,

14、系 统 实 物 图,4.6.4 声光调 Q,一、声光Q开关器件的结构腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。,图4-28 声光调Q装置示意图,二.声光调Q原理：,当声波在某些介质中传播时,该介质会产生与声波信号相应的、随时间和空间周期变化的弹性形变,从而导致介质折射率的周期变化,形成等效的位相光栅,其光栅常数等于声波波长s.光束射经此介质时发生衍射,一部分光偏离原来方向。当声波频率较高.声光作用长度d足够大,满足,时(s与分别为声波与光波波长),如果射光与声波波面的夹角满足,则透射光束分裂为零级与+1级或-1级(视入射方向而定)衍射光,+1级或-1级衍

15、射光与声波波面的夹角亦为,如图所示。这种现象称作布喇格衍射,一级衍射光先强I1(或I-1)与入射光光强Ii 之比为,声光布喇格衍射衍射示意图,式中是经长度为d的位相光栅后光波相位变化的幅度。,式中是介质折射率变化的幅值;d与H分别为换能器的长度与宽度;M是声光介质的品质因素;P是超声驱动功率。提高超声驱动功率可得到较高的衍射效率。,声光调Q技术利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。,图4-28是一个声光调Q的YAG激光器的示意图。腔内插入的声光调Q器件由声光互作用介质(如熔融石英)和键合于其上的换能器所构成的。 原理: 当光通过介质中的超声场时,由于衍射造成光的偏折,偏离腔轴,此时损耗大,

16、Q值小. 一定时 间后,撤去超声场,光束不发生偏折,Q值升高. 声光调Q与电光调Q相比，后者电压较高(103104V)，前者电压较低(102V)。声光调Q技术是应用较广泛的一种技术。,图4-28 声光调Q装置示意图,声光调Q原理,吸声或反射装置,声光介质,驱动电源,电声换能器,耦合介质,声光Q开关的结构,声光Q开关插入谐振腔内，当声光电源将高频振荡信号加在换能器上时，介质中的折射率发生变化，形成等效的相位光栅。当光束通过介质时，便产生布拉格衍射。衍射光相对于0级光有一个偏离角，这一角度完全可以使光波偏离出腔外。使谐振腔处于高损耗低Q状态，不能产生振荡，即Q开关将激光“关断”。当高频信号的作用突

17、然停止时，超声场消失，Q开关“打开”。Q值交替变换一次就使激光输出一个调Q脉冲。,声光调Q激光器,结构示意图,系统实物图,4.6.5 染料调Q,前面介绍的都是主动式调Q方法，即是人为地利用某些物理效应来控制激光谐振腔的损耗，从而达到Q值的突变。本节介绍被动式Q开关，即利用某些可饱和吸收体本身特性，能自动地改变Q值的一种方法。,一、可饱和吸收染料的调Q原理,利用有机材料对光的吸收系数会随着光强变化的特性来达到调Q的目的。,图4-29就是染料调Q激光器的示意图。它是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的。,图(4-29) 染料调Q装置示意图,某些有机染料是一种非线性吸收介质，即其吸收系数并不是

18、常数，当在较强激光作用下，其吸收系数随光强的增加而减小直至饱和，对光呈现透明的特性，这种染料称为可饱和吸收染料，吸收系数可以表示为：,式中0是中心频率小信号吸收系数; I 和 Is 分别为人射光强和饱和光强。,可见,吸收系数随光强的增加而减少,当光强很大时,吸收系数为零,入射光几乎全部透过。饱和吸收体的透过率随光强的变化如下图所示。,Is为染料的饱和吸收光强，其大小与染料的种类和浓度有关，一般来说，染料的浓度增加， Is值也增加；I为入射光强。由上式可以看出，当I Is 时，吸收系数趋于零，染料对通过的光束于是变为透明,将饱和吸收体放在谐振腔中,泵浦过程开始时,腔内自发荧光很弱，染料吸收系数很大，使光的透过率很低，腔处于低Q值(高损耗)状态，故不能形成激光振荡。 随着光泵的继续作用反转粒子数的积累，放大的自发辐射逐渐增加,当光强与饱和吸收体的Is可比拟时,染料的吸收系数变小，透过率逐渐增大.当这一过程发展到一定程度时,单程增益等于单程损耗,激光器开始起振。 随着激光强度的增加,到一定数值时，染料吸收达到饱和（吸收最小）值，突然被“漂白”而变得透明了，这时腔内Q值猛增，